不同參數(shù)下小口徑地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)載荷分析

陳延偉，王影杰，張自強(qiáng)，王志強(qiáng)

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

不同參數(shù)下小口徑地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)載荷分析

陳延偉，王影杰，張自強(qiáng)，王志強(qiáng)

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

刀盤(pán)是地下管道挖掘機(jī)的重要部件，研究刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程中不同參數(shù)對(duì)刀盤(pán)載荷的影響是刀盤(pán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。文中基于ABAQUS/Explicit分析模塊，采用Drucker-Prager土體本構(gòu)模型，利用具有單元?jiǎng)h除功能的剪切失效準(zhǔn)則，建立刀盤(pán)切削土體的三維有限元模型，研究刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)切削力和切削扭矩的影響。研究表明：不同刀具前角情況下，切削扭矩和切削推力隨著前角增大而減小；隨著刀具寬度的增加，刀盤(pán)的最大推力和最大扭矩增大，平均推力和平均扭矩保持平穩(wěn)，在刀具寬度為30mm時(shí)，刀盤(pán)的推力和扭矩最小；隨著刀盤(pán)速度越大，刀盤(pán)平均推力和平均扭矩顯著增大，是影響刀盤(pán)受力的主要參數(shù)。

小型地下管道挖掘機(jī)；刀盤(pán)；掘進(jìn)載荷；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國(guó)水利工程、市政工程等基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)地下空間的利用率不斷提高，通訊、供排水等各種管線(xiàn)在地下布置越來(lái)越密集，為了保護(hù)環(huán)境、保證施工質(zhì)量，利用非開(kāi)挖技術(shù)在地面下挖掘并鋪設(shè)管線(xiàn)的施工方法越來(lái)越受到政府重視[1]。目前最具代表性的非開(kāi)挖設(shè)備是盾構(gòu)機(jī)、頂管機(jī)、水平定向鉆機(jī)，但都具有各自的適用范圍，因此以盾構(gòu)機(jī)、頂管機(jī)為引導(dǎo)，提出了一種新型的不破壞原有路面和建筑物的小口徑地下管道挖掘機(jī)。切削刀盤(pán)作為挖掘施工最直接的工具，直接面對(duì)多種不同的地層，受力復(fù)雜，而且地下隧道施工中無(wú)法直接觀測(cè)刀盤(pán)系統(tǒng)載荷信息，因此分析不同參數(shù)下刀盤(pán)載荷的變化規(guī)律具有重要意義。

目前在非開(kāi)挖設(shè)備中關(guān)于盾構(gòu)刀盤(pán)的研究比較普遍，相關(guān)的試驗(yàn)及理論研究也主要集中在盾構(gòu)刀具的布置，推力、扭矩構(gòu)成理論的推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究等方面[2～6]，而有關(guān)刀盤(pán)載荷方面的研究也相對(duì)較少。小口徑非開(kāi)挖的設(shè)備在市場(chǎng)上仍未得到應(yīng)用，刀盤(pán)的研究更是欠缺，且受到刀盤(pán)模型較小的限制，獲取在掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)與土體相互耦合作用下，刀盤(pán)掘進(jìn)載荷方面的信息更是存在一定困難。當(dāng)前有限元技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值模擬仿真分析已成為工程結(jié)構(gòu)可靠性分析的重要工具，而刀具的切削仿真研究為分析刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程提供了一種有效方法[7～9]。近期也逐漸出現(xiàn)刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程和刀盤(pán)載荷的分析[10～12]，但大多側(cè)重于單個(gè)切削刀具與土體相互作用分析以及大直徑盾構(gòu)刀盤(pán)載荷的研究，對(duì)于小口徑地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)載荷因素的分析比較欠缺。

為研究掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)與土體耦合作用下刀盤(pán)載荷的影響因素，本文通過(guò)仿真分析，模擬不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工參數(shù)等多種可變因素的影響，討論地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)不同刀具前角、切削速度及刀具寬度條件下刀盤(pán)扭矩和推力的變化規(guī)律，對(duì)小口徑地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)的參數(shù)選取提供參考，對(duì)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

1 刀盤(pán)與土體有限元模型

地下管道挖掘機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程是通過(guò)刀盤(pán)連續(xù)切削土體實(shí)現(xiàn)的，利用有限元法研究地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)切削仿真問(wèn)題，必須建立真實(shí)的刀盤(pán)模型以及能夠比較準(zhǔn)確描述土力學(xué)性質(zhì)的土體模型。由地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)和與正前方相互接觸的土體，作為刀盤(pán)系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)仿真的有限元模型，如圖1所示。

1.1 材料參數(shù)

土體材料采用Drucker-Prager彈塑性模型，利用具有單元?jiǎng)h除功能的剪切失效準(zhǔn)則，在剪切損傷中定義土體的斷裂應(yīng)變和破壞位移；同時(shí)在Drucker-Prager塑性模型的硬化中定義真實(shí)屈服應(yīng)力和真實(shí)塑性應(yīng)變；在彈性模型中定義土體的彈性模量、泊松比和密度。刀盤(pán)的材料采用Q345，土體參數(shù)為彈性模量18MPa，密度1.96，泊松比0.35，破壞位移2mm，內(nèi)摩擦角20°。

1.2 網(wǎng)格劃分

本文所選取的土體模型大小為600mm×600mm ×200mm，整個(gè)模型采用可以控制沙漏的C3D8R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，動(dòng)態(tài)仿真模型中，土體模型單元總數(shù)為108425，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為202500。刀盤(pán)模型單元總數(shù)為64222，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為16525。為提高計(jì)算效率，在土體與刀盤(pán)的接觸區(qū)域上劃出圓柱形的待切削區(qū)，最后形成一個(gè)刀盤(pán)切削土壤的整體有限元仿真分析模型，為得到較好的計(jì)算結(jié)果并有效的利用計(jì)算資源，將待切削部分網(wǎng)格加密，未與刀盤(pán)直接作用的土體網(wǎng)格密度適當(dāng)加大。

1.3 邊界條件

如圖2給出了模型的接觸方式和約束方法，在分析模型中，假定初始時(shí)挖掘機(jī)刀盤(pán)刀具與土體接觸。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)動(dòng)態(tài)仿真分析模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。施加的載荷和邊界條件可總結(jié)為：假設(shè)掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度和切削速度為一定值，約束土壤模型外邊界的位移自由度，保持待開(kāi)挖表面為自由表面；在參考點(diǎn)上施加耦合作用力，并利用接觸來(lái)模擬刀盤(pán)和土壤之間的相互作用。

我曾聽(tīng)說(shuō)何副書(shū)記原在外地因作風(fēng)問(wèn)題才調(diào)到這兒來(lái)的。對(duì)領(lǐng)導(dǎo)干部這種“換地方”懲罰法不理解，只上不下，犯了錯(cuò)誤就換個(gè)地方，就如小孩尿炕，把這床褥子尿了，再換一床，結(jié)果弄得床床都有臊氣，使人近前不得。這次鄉(xiāng)里懲治腐敗，像往常一樣，何副書(shū)記只敷衍一下。中央讓干點(diǎn)啥，到縣鄉(xiāng)兩級(jí)就松勁了。就像往水里扔石頭，中心激起的水浪高，然后向四周擴(kuò)展開(kāi)去，越傳得遠(yuǎn)越低，最后波平浪靜。我為女站長(zhǎng)擔(dān)起心來(lái)，但轉(zhuǎn)念一想，何必多管閑事！這女子如此風(fēng)流，倘若是周瑜打黃蓋——我們豈不成了豬八戒照鏡子？我正想回家，巴克夏卻說(shuō)：“咱別回去了，反正也不太冷，就在辦公室睡吧！”

圖1 內(nèi)刀盤(pán)與土體位置關(guān)系示意圖

圖2 刀盤(pán)邊界條件示意圖

2 仿真結(jié)果分析

地下管道挖掘機(jī)刀盤(pán)切削力及扭矩會(huì)受到刀盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)以及施工參數(shù)等影響。本文主要研究在粉質(zhì)軟土地質(zhì)條件下，不同刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)刀盤(pán)切削力和切削扭矩的影響。影響刀具載荷主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括刀具前角、刀具寬度、刀盤(pán)速度。首先選擇確定一種切削情況，本模型選擇挖掘機(jī)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度為7.2r/min，刀盤(pán)的推進(jìn)速度為3mm/s，仿真計(jì)算總時(shí)間為40s；切刀寬度為30mm，刀具前角為15°，進(jìn)行刀盤(pán)切削土體過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析。其不同時(shí)刻的土體切削狀態(tài)如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻土體的等效應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，仿真階段隨著刀盤(pán)與土體的逐漸接觸，土體先是發(fā)生變形，隨后逐漸與開(kāi)挖面分離開(kāi)來(lái)并消失，并同時(shí)產(chǎn)生土渣，模型建立了刀盤(pán)與土體的非線(xiàn)性接觸，土體受刀盤(pán)明顯的沖擊刮削作用，在5s的時(shí)刻，周邊刮刀開(kāi)始與土體接觸，8.5s切刀開(kāi)始切削土體，隨著刀盤(pán)不斷推進(jìn)，土體被切刀分成幾部分先后切削，切削后的土體形成等間距的同心圓，在t=11s時(shí)，土體被切削完成一圈，當(dāng)t=12.8時(shí)土體被全面切削，進(jìn)而進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)周期。

2.1 刀具前角對(duì)切削扭矩的影響

在實(shí)際工程中，切刀前角會(huì)對(duì)切刀與土體之間的受力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響刀盤(pán)總切削力及扭矩。通過(guò)設(shè)置不同的切刀前角來(lái)探討其對(duì)刀盤(pán)受力的影響，針對(duì)粉土地質(zhì)刀盤(pán)刀具前角范圍為15°～20°，選則刀具前角為15°、17°、19°、20°進(jìn)行刀盤(pán)數(shù)值模擬分析，進(jìn)而分析刀盤(pán)和推力合扭矩的變化規(guī)律。

圖4 不同刀具前角對(duì)應(yīng)切削力及扭矩隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

從圖4中可以看出，在初始階段，隨著魚(yú)尾刀及周邊刮刀與土體的逐漸接觸，刀盤(pán)的切削載荷開(kāi)始緩慢增加；到達(dá)5s左右，周邊刮刀與土體開(kāi)始接觸，刀盤(pán)載荷開(kāi)始上升，在8.5s時(shí)，切刀與土體開(kāi)始接觸，推力與扭矩緩慢上升，到達(dá)11時(shí)便達(dá)到穩(wěn)定變化階段，其變化趨勢(shì)與實(shí)際施工情況相符。同時(shí)，刀盤(pán)的整個(gè)切削過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)值驟然升高的情況，這主要由于分析軟件中土體單元斷斷續(xù)續(xù)地達(dá)到分離準(zhǔn)則而被刪除，刀盤(pán)受到一種變荷載作用使刀盤(pán)切削載荷不連續(xù)所致。根據(jù)對(duì)不同刀具前角的分析，繪制刀盤(pán)的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力曲線(xiàn)圖，如圖5所示。

圖5 不同前刀具前角對(duì)應(yīng)刀盤(pán)推力及扭矩曲線(xiàn)圖

通過(guò)圖5可以看出刀具前角的變化對(duì)切削推力和切削扭矩均會(huì)產(chǎn)生影響。刀具前角越大對(duì)應(yīng)的刀盤(pán)最大推力和刀盤(pán)最大扭矩越小，且刀盤(pán)的平均推力和平均扭矩也呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)椋毒咔敖窃龃髸r(shí)，刀具楔角變小，土壤切削變形較小，所需刀盤(pán)推力降低。在確定刀具前角時(shí)，建議選擇大的刀具前角。

2.2 刀具寬度對(duì)刀盤(pán)切削力及扭矩的影響

不同的切刀寬度也會(huì)對(duì)切刀與土體之間的受力產(chǎn)生影響，切刀寬度也是影響切刀壽命的一個(gè)重要因素。固定切刀前角為20°，后角10°，切削速度為3mm/s，時(shí)間為0.5s，刀寬b分別取30mm、31mm、32mm、33mm，粉質(zhì)粘土?xí)r的刀盤(pán)扭矩及推力的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同刀寬推力及扭矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

將上述分析的不同刀寬對(duì)應(yīng)刀盤(pán)所受載荷進(jìn)行分析處理，得到刀盤(pán)的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如圖7所示。

圖7 不同刀具寬度對(duì)應(yīng)刀盤(pán)推力及扭矩曲線(xiàn)圖

通過(guò)圖7可以看出隨著刀具寬度不斷增大，刀盤(pán)的最大推力和最大扭矩呈上升趨勢(shì)，而平均推力和平均扭矩呈下降趨勢(shì)，但變化不明顯，幾乎為平穩(wěn)變化。這是由于在初始階段11s時(shí)，刀具切削土體一圈，11s前，刀具寬度越大，所受刀盤(pán)推力及扭矩越大，11s后，刀具重疊切削，到達(dá)40時(shí)，刀盤(pán)平均推力和平均扭矩變小，但是變化較小，幾乎保持不變。因此選擇刀具寬度為30mm，此時(shí)刀盤(pán)最大切削力和最大切削扭矩最小。

2.3 進(jìn)給速度對(duì)刀盤(pán)切削力及扭矩的影響

固定刀盤(pán)刀具前角20°，刀具寬度30mm，取刀盤(pán)進(jìn)給速度分別為1mm/s，2mm/s，3mm/s，4mm/s，進(jìn)行刀盤(pán)扭矩和推力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析與研究，如圖8所示。

圖8 不同切削速度時(shí)推力及扭矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

將上述分析的不同刀具前角對(duì)應(yīng)刀盤(pán)所受載荷進(jìn)行分析處理，得到刀盤(pán)的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如圖9所示。

圖9 不同進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)刀盤(pán)推力及扭矩曲線(xiàn)圖

通過(guò)曲線(xiàn)可以看出隨著進(jìn)給速度的不斷增大，刀盤(pán)的平均推力和平均扭矩不斷增大，因?yàn)榈侗P(pán)轉(zhuǎn)速一定的情況下，刀盤(pán)進(jìn)給速度越大，刀具切削深度則越大，因此刀盤(pán)所受土體的推力及扭矩相應(yīng)增大。同時(shí)由圖9可以看出，曲線(xiàn)的斜率變化較大，可以得出刀盤(pán)的切削速度是刀盤(pán)受力的主要影響因素。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，建立盾構(gòu)刀盤(pán)切削土體的三維仿真模型，模擬刀盤(pán)切削土體的過(guò)程，研究影響刀盤(pán)載荷的因素，主要得出以下結(jié)論。

1）刀具前角對(duì)切削扭矩的影響并不大，對(duì)刀盤(pán)的推力影響較大。當(dāng)?shù)毒咔敖窃龃髸r(shí)，刀具楔角變小，土壤切削變形較小，所需刀具推力降低，因此選擇較大的刀具前角。

2）隨著刀具寬度增大，刀盤(pán)最大推力和最大扭矩不斷增大，但平均推力和平均扭矩減少，但整體趨于平穩(wěn)，因此在刀具寬度為30mm時(shí)，選擇刀盤(pán)的總推力和扭矩達(dá)最佳。

3）刀盤(pán)的切削速度是刀盤(pán)受力的主要影響因素，對(duì)刀盤(pán)推力和扭矩影響較明顯，由于刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定的情況下，進(jìn)給速度越大，刀具切削土體深度越大，則刀盤(pán)所受土體的推力及扭矩相應(yīng)增大。

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The load analysis of the small-caliber underground pipeline digging machine under di ff erent tool parameters

CHEN Yan-wei, WANG Ying-jie, ZHANG Zi-qiang, WANG Zhi-qiang

TH122；U455

：A

：1009-0134(2017)05-0073-05

2017-04-28

陳延偉（1970 -），男，副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。